1、青藏鐵路昆侖山隧道設(shè)計(jì)說明青藏鐵路昆侖山隧道海拔4600 4700m，處于高原腹地，具有獨(dú)特的冰緣干寒氣候特征，且隨海拔增高而有明顯的氣候垂直分布帶性。根據(jù)西大灘臨時(shí)觀測資料(1978年初測資料)，昆侖山隧道所在地區(qū)年平均氣溫-3.6，極端最高氣溫23.7，極端最低氣溫-27.7，年平均降水量220.9mm，年平均蒸發(fā)量1469.8mm，相對濕度平均為4 4.8。 1地貌地質(zhì)概況及多年凍土分布特征 本區(qū)屬昆侖山北麓中、高山區(qū)，山嶺高聳，山坡陡峻，坡面破碎，多有坡積碎石分布。區(qū)內(nèi)發(fā)育一峽谷一亂石溝(又名驚仙谷)，昆侖河順溝流淌。青藏公路沿昆侖河修建。昆侖山隧道位于亂石溝西側(cè)高山中，隧道頂部山體分

2、布2條沖溝，隧道進(jìn)口處為一山梁，地表植被較發(fā)育，覆蓋率40。隧道出口處山坡陡峻，分布坡積碎石土，局部基巖出露，坡面無植被，隧道出口下方緊靠青藏公路。 山體為三疊系板巖夾片巖，山坡為坡積角礫土、碎石土，洪積碎石土。坡積角礫土厚23m，分布于隧道進(jìn)口，灰黃色，角礫成分以板巖為主，片巖次之。坡積碎石土厚220m，分布于山體表層及隧道出口，灰黑色，碎石成分以板巖為主。洪積碎石土厚48 m，分布于山坡沖溝中，灰色，碎石成分以板巖為主，片巖次之。 昆侖山隧道洞身通過板巖夾片巖，以板巖為主，局部夾片巖，淺灰色，灰黑色，變晶結(jié)構(gòu)。板巖為板狀構(gòu)造，巖體致密，堅(jiān)硬。片巖為片狀構(gòu)造，巖體多柔軟，破碎。巖體板理、片理

3、發(fā)育，節(jié)理、裂隙發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化層厚1.74m，板巖呈碎塊狀，片巖為碎片狀，局部為粉土狀，含較多裂隙冰。洞身主要圍巖級(jí)別為V級(jí)。 昆侖山隧道屬于多年凍土區(qū)，隧道進(jìn)口山坡為陰坡，凍土上限較淺，一般為2.7m，除隧道進(jìn)口處分布1.8m左右厚的飽冰凍土外，其余為少冰、多冰凍土。出口山坡為陽坡，凍土上限較深，一般為2.13m，為少冰、多冰凍土。 根據(jù)隧道物探斷面反映，地層含冰量隨深度逐漸降低。在36m以上巖層中局部分布薄層裂隙冰。據(jù)推測，昆侖山隧道多年凍土下限為100110m。 2已建寒區(qū)隧道病害原因分析 2.1洞口工程 東北嫩林線和牙林線隧道的洞門都有開裂現(xiàn)象，裂縫大部分產(chǎn)生在端墻中部附近，自頂帽向下延

4、伸，有的裂縫已裂到拱圈內(nèi)側(cè)。開裂原因分析如下： (1)洞門基礎(chǔ)置于凍脹融沉土層或高含冰量地層，基礎(chǔ)發(fā)生不均勻下沉； (2)端墻背后為凍脹性土壤或高含冰量凍土，凍融交替的循環(huán)作用使端墻破壞； (3)施工時(shí)，混凝土早期受凍，影響混凝土后期強(qiáng)度。 2.2洞內(nèi)工程 通過嫩林線塔河樟嶺白卡爾隧道、西羅奇二號(hào)隧道，林碧支線上的翠嶺二號(hào)隧道，牙林線嶺頂隧道，南疆線奎先隧道等嚴(yán)寒或多年凍土地區(qū)隧道的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道建成后普遍存在襯砌凍脹開裂、酥碎、剝落、掛冰和道床冒水、積水、結(jié)冰等病害，嚴(yán)重威脅行車安全，降低隧道使用壽命，養(yǎng)護(hù)工作繁重，治理十分困難。病害原因分析如下： (1)由于嚴(yán)寒地區(qū)防排水設(shè)施失效，尤其排水

5、通道因水結(jié)冰堵塞，使得襯砌背后的水進(jìn)入不了排水溝，水溝內(nèi)的水結(jié)冰不能排出洞外，導(dǎo)致病害發(fā)生； (2)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有充分考慮凍脹力對結(jié)構(gòu)的影響，對于多年凍土隧道，沒有對凍融圈的大小和變化采取有效的控制措施，圍巖凍融循環(huán)作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞； (3)由于施工多采用先拱后墻的方法，襯砌背后回填不密實(shí)，使得襯砌后大量積水，產(chǎn)生凍害。 另外，寒季施工時(shí)混凝土的質(zhì)量難以保證及設(shè)計(jì)的混凝上標(biāo)號(hào)過低也是產(chǎn)生病害的原因之一。 3昆侖山隧道設(shè)計(jì)概述 3.1洞口工程 由于隧道處于低溫基本穩(wěn)定區(qū)，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用保護(hù)凍土的原則。選擇洞口位置時(shí)，為減少對原地表的破壞，隧道進(jìn)口、出口均接建明洞，并及早做好洞門和對凍土層的保護(hù)

6、工程。 為避免基礎(chǔ)不均勻下沉，明洞及洞口工程基礎(chǔ)盡量置于基巖上，或采取基底換填卵礫石的措施。洞門端、擋墻背后沒置50cm厚砂石墊層，以緩解墻后的凍脹力。為保證洞門結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，端墻采用鋼筋混凝土，擋墻采用混凝土現(xiàn)澆。 3.2支護(hù)襯砌、隔熱保溫及防排水工程 多年凍土地區(qū)隧道在建成后，由于氣溫等外界條件的影響，襯砌背后的多年凍土?xí)纬梢粋€(gè)凍融交替的凍融圈，使襯砌結(jié)構(gòu)處在凍脹力往復(fù)作用的不利環(huán)境中，往往造成襯砌嚴(yán)重開裂甚至破壞。因此，凍融圈是影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一個(gè)極其重要的因素，對其范圍、動(dòng)態(tài)變化的控制十分必要。水是寒區(qū)隧道產(chǎn)生病害根源，也是凍融圈的主要影響因素，所以，完整、有效的防排水體系是多年凍土

7、隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為避免產(chǎn)生病害，昆侖山隧道沒計(jì)中從應(yīng)用隔熱保溫技術(shù)、加強(qiáng)防排水及優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)等方面出發(fā)，采取了綜合防治的措施。 3.2.1洞內(nèi)外氣溫對圍巖凍融圈的影響 形成凍融圈的熱量有2個(gè)來源：一是在施工中由于放炮、人為活動(dòng)等造成的融化，它是暫時(shí)的；二是外界氣溫變化的影響及運(yùn)營中機(jī)車散熱等，它是長期的，并受季節(jié)影響。因此，受季節(jié)性變化的洞內(nèi)外氣溫，是形成凍融圈深度變化的主要因素。根據(jù)隧道所在地區(qū)的氣象資料統(tǒng)計(jì)，一年中大部分時(shí)間處于負(fù)溫。當(dāng)外界氣溫為負(fù)溫時(shí)，隧道內(nèi)不會(huì)形成融化圈，凍結(jié)狀態(tài)的圍巖對隧道結(jié)構(gòu)有利；當(dāng)外界氣溫為正溫時(shí)，襯砌周邊圍巖將產(chǎn)生一定范圍的融化圈。通過賀蘭山隧道、東北翠嶺隧道的

8、測溫資料來看，洞內(nèi)氣溫在寒季離洞口越遠(yuǎn)則越高，在夏季則相反。根據(jù)木里煤礦試驗(yàn)結(jié)果，洞內(nèi)氣溫變化和洞外氣溫變化都成近似正弦曲線變化，而洞外氣溫的較差和正溫面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于洞內(nèi)氣溫的較差面積，這就決定了洞內(nèi)融化圈深度一定小于洞外同種土層的上限值。昆侖山隧道上限最大值為3.0m，隧道貫通后，襯砌周邊圍巖融化范圍應(yīng)當(dāng)小于上限最大值。 3.2.2隔熟保溫技術(shù)在隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 由于隧道凍融圈的往復(fù)作用會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞，設(shè)計(jì)中采用敷設(shè)隔熱保溫層的措施以減少洞內(nèi)外氣溫與圍巖問的熱交換，從而減小凍融圈的范圍。從調(diào)研資料得知，在嚴(yán)寒地區(qū)采用隔熱保溫技術(shù)的隧道，敷設(shè)隔熱保溫層的方式有2種：一種是在襯砌內(nèi)緣表面敷設(shè)保溫層

9、，如國內(nèi)的大坂山公路隧道，在襯砌表面敷設(shè)聚氨脂泡沫板，日本嚴(yán)寒地區(qū)許多既有隧道，為防止掛冰而在隧道建成后采取的表面絕熱處理；另一種是在兩層襯砌之間敷設(shè)保溫層，如日本采用新奧法施工的某新建隧道，在初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)保溫層。 目前，我國還沒有在多年凍土隧道中采用隔熱保溫措施的先例。昆侖山隧道結(jié)合其支護(hù)形式，在支護(hù)與模筑襯砌之間設(shè)5cm厚的隔熱保溫層。設(shè)計(jì)中考慮最熱月平均氣溫與巖面的溫度差計(jì)算出保溫層厚度。保溫層采用聚氨脂，其敷設(shè)形式考慮噴涂和硬質(zhì)泡沫型材2種形式，結(jié)合試驗(yàn)研究項(xiàng)目和現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步確定。隔熱保溫材料應(yīng)滿足以下要求：導(dǎo)熱系數(shù)入0.3MPa，體積吸水率60 kgm3，彈性模量E71

10、0MPa，老化壽命50年，具有一定彈性，具低毒性。 由于隔熱保溫層作為低彈模材料夾在2層襯砌之間，整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一個(gè)不容忽視的問題。如果保溫效果良好，凍脹力和土壓力都將控制在一個(gè)很小的范圍，襯砌的變形也會(huì)足夠小，這種雙層襯砌夾保溫層的結(jié)構(gòu)是可行的；如果保溫效果不好，在受較大的土壓力或凍脹力作用下襯砌產(chǎn)生較大的變形，隔熱保溫材料作為軟弱夾層，對整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是不利的。 3.2.3襯砌及其支護(hù)設(shè)計(jì) 多年凍土地區(qū)隧道主要荷載為圍巖壓力和結(jié)構(gòu)自重，附加荷載為凍脹力。凍融圈以外的圍巖基本不產(chǎn)生圍巖壓力或圍巖壓力很小，因此圍巖壓力只考慮融化圈范圍松弛壓力；根據(jù)孔隙度和凍融深度計(jì)算分析，考慮氣溫、地下

11、水、圍巖等因素的影響，凍脹力按均布荷載考慮，垂直與水平之比為1：1。計(jì)算時(shí)按融化圈內(nèi)松弛壓力或凍脹力2種比較確定。隧道采用曲墻帶仰拱模筑鋼筋混凝土整體襯砌，襯砌內(nèi)輪廓在一般單線電化鐵路的基礎(chǔ)上調(diào)整邊墻曲率，以適應(yīng)多年凍土地區(qū)襯砌的受力特點(diǎn)。凍脹力按最大為0.5MPa，控制對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算。 考慮多年凍土區(qū)施工環(huán)境溫度較低，噴混凝土支護(hù)在施工工藝上及其與圍巖的粘結(jié)強(qiáng)度方面都需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)推薦模筑混凝土支護(hù)。模筑混凝土支護(hù)為隧道結(jié)構(gòu)的組成部分，設(shè)計(jì)中考慮了其承受圍巖荷載和凍脹力的作用，施工中應(yīng)采用正規(guī)模板，嚴(yán)格施作，確保施工質(zhì)量，并為敷設(shè)隔熱保溫層提供圓順基面。施作保溫層前應(yīng)向模筑混凝

12、土支護(hù)拱部范圍壓注水泥漿，以回填支護(hù)與圍巖間的空隙，避免凍害隱患。模筑混凝土襯砌與支護(hù)中摻加低溫早強(qiáng)劑，以確?；炷翉?qiáng)度。 3.2.4防排水設(shè)計(jì) 多年凍土隧道防排水結(jié)合隔熱保溫措施，采取“防、排、截、堵，多道防線，綜合治理”的原則。設(shè)計(jì)時(shí)曾考慮3種防排水方案。 (1)方案一。防排水設(shè)計(jì)以堵為主，結(jié)合隔熱保溫及低溫注漿堵水措施，盡量減小貫通后襯砌內(nèi)外側(cè)的熱交換，使圍巖當(dāng)中水處于凍結(jié)狀態(tài)。但考慮襯砌周邊圍巖在暖季局部融化是難以避免的，為防止地下水滲漏影響隔熱效果，在隔熱層外側(cè)全斷面設(shè)防水板，環(huán)向結(jié)合施工縫位置設(shè)盲溝，在墻腳縱向設(shè)100mmPVC盲溝，與洞內(nèi)雙側(cè)保溫水溝連通。變形縫和施工縫設(shè)止水條或

13、止水帶。 (2)方案二。采用深埋中心水溝排水，其余防排水措施與方案一相同。 (3)方案三。采用防寒泄水洞排水措施，其余防排水措施與方案一相同。 方案一適用于地下水較少的情況，采用隔熱保溫及低溫注漿措施，以堵為主，而排水功能較差。方案二可以利用中心水溝較好地排除隧道基底水，并將襯砌背后的水匯入水溝通過橫洞引排。但由于洞身處于凍土或下限附近，整個(gè)大環(huán)境為負(fù)溫或接近負(fù)溫，水溫普遍較低，在襯砌背后的水通過盲溝匯入中心水溝時(shí)易凍結(jié)，水溝自身的保溫也是一個(gè)難題。方案三利用防寒泄水洞可以有效地排除隧道周邊基巖裂隙水，并由泄水洞引排至洞外。由于泄水洞斷面較大，水溝檢修容易，一旦水溝凍結(jié)或堵塞，可以通過采暖或其它方式疏通。但在多年凍土地區(qū)采用泄水洞，由于周邊負(fù)溫環(huán)境的影響，排水易凍結(jié)，同時(shí)，泄水洞長度大，工程量增加，投資需加大?？紤]到昆侖山隧道地下水量不大，大部分段落處于凍結(jié)層中，最終設(shè)計(jì)推薦方案一。 在參考已建嚴(yán)寒地區(qū)或多年凍土地區(qū)隧道病害整治資料的基礎(chǔ)上通過工程類比、